Coolpack Tutorial - Español 652k4t

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Resolución del modelo (cálculo) Actualización inicial Volver al diagrama principal Impresión de menú Fin del programa (salir) Copiar el diagrama actual al portapapeles

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Descripción de botones: Descripción de las Funciones

Botones e Iconos

Volver al menú de la ventana principal Cálculo, equivalente a oprimir la tecla F2 Salvar entradas en un archivo Cargar entradas desde un archivo Activar la función Ayuda Ir a la ventana secundaria “Especificación del Ciclo” Ir a la ventana secundaria de cálculos “Auxiliares” Ir a la ventana secundaria “Estado Puntos”

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Ejercicio 3: Conceptos Fundamentales en Utilidades de Refrigeración Pulse sobre la pestaña de las Refrigeration Utilities (Utilidades de Refrigeración)i en la ventana principal de CoolPack. Podrá ver tres iconos. El primero representa el programa principal de este grupo. Los otros dos representan los programas prácticos para el cálculo de las características específicas de los refrigerantes y los líquidos secundarios. El programa principal en este grupo se puede utilizar para dibujar diagramas, en alta calidad, de las características de una gran cantidad de refrigerantes. Además, puede trazar ciclos de refrigeración en estos diagramas y hacer que el programa calcule diferencias de entalpia entre los puntos de estado, el COP, etc. Este programa tiene muchas posibilidades, especialmente cuando está en formato de diagramas de propiedades, no siendo práctico enumerarlos todos en este ejercicio introductorio. Recurra por favor a la ayuda del programa para más información sobre sus características y para la ayuda en general. Empiece el programa pulsando en el icono: Si mueve el puntero del ratón a lo largo de los botones en la barra superior, aparece una breve descripción. Pulse

el

botón:

para dibujar un diagrama log (p)-h

Aparecerá una lista de refrigerantes Seleccione R290 (propano) y pulse en el botón OK

Coordenadas de la posición del cursor del ratón

Figura 5.5 Diagrama: log(p)-h en Utilidades de Refrigeración 16

El diagrama log(p)-h del R290 se muestra en la pantalla con los valores prefijados de formato (isotermas, entropías, títulos, volúmenes específicos, etc., trazados en distintas líneas de colores). Note que a medida que mueve el puntero del ratón en el área del diagrama las coordenadas termodinámicas, como la presión, la temperatura, etc., de la posición del indicador del ratón se muestran en la esquina inferior izquierda. Si pulsa el botón del ratón cuando el puntero está dentro del área del diagrama, las coordenadas termodinámicas se copiaran a un portapapeles local. Utilice el menú de “Options (Opciones)”, “Show log. (Mostrar log(p)-h)” para ver estas coordenadas. Para los refrigerantes-mezclas tales como los de la serie R400, el cálculo de las características del refrigerante en la región bifásica tarda más tiempo que los cálculos para una sustancia pura. Por lo tanto, cuando selecciona una refrigerante-mezcla, como el R404A, se le invitará a seleccionar las líneas requeridas de título, entropía e isotermas para la región bifásica. La no elección de las líneas de entropía y título acelera perceptiblemente el proceso de cálculo y trazado. Sobre el diagrama log(p)-h, se puede especificar un ciclo de refrigeración y colocar los puntos de estado en el diagrama. Elija el botón “Input Cycle (Entrada Ciclo)” en el menú “Options” Normalmente, se puede elegir entre cuatro Ciclos de Refrigeración diferentes. Elija “One-stage cycle (Ciclo de Una Etapa)”, e introduzca los valores apropiados de la temperatura de evaporación y condensación, etc. Olvide por ahora la pérdida de presión etc. Pulse el botón de “Update (Actualizar)”.

Figura 5.6: Ventana de entrada de datos del Ciclo En la parte derecha de la pantalla se muestran los valores para el funcionamiento especificado. 17

Pulse en el botón “Show Info (Mostrar Información)” En esta ventana se muestra más información sobre el ciclo y es posible indicar la capacidad del ciclo (Capacidad Frigorífica, caudal másico, potencia consumida, etc.). Debe elegirse una y solo una de esas variables. Los valores del resto de las variables se calcularán automáticamente.

Figura 5.7: Dimensionamiento de un ciclo de refrigeración Entre un valor para la Potencia Frigorífica (Qe) y pulse en el botón “Update”. Pulse “OK” para dibujar el ciclo (puntos de estado) sobre el diagrama. Siempre puede ver las especificaciones del ciclo dibujado eligiendo “Show cycle info (Mostrar información Ciclo)” en el menú “Options”. Para comparar múltiples ciclos, puede dibujarlos en el mismo diagrama. A continuación se expone una lista de los atajos típicos en Utilidades de Refrigeración.

Ratón

Teclado

Doble-click Doble-click sobre el eje x Doble-click a la izquierda del eje y Click botón derecho

Formato texto o curva Formato eje x Formato eje y Para dibujo de polilínea

Flechas abajo, izquierda, arriba y derecha

Mover cursor

<Espacio> <Enter> <Esc>

Equivale a Click botón izquierdo equivale a doble-click Parar dibujo de polilínea (equivale a Click botón derecho) Incrementa el tamaño del paso al usar las flechas Decrece el tamaño del paso al usar las flechas

<+> en el teclado numérico <-> en el teclado numérico + botón izquierdo (o espacio)

Seleccionar curva

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Teclado+Ratón (Teclado + Teclado)

Atajos al Menú de comandos

<Shift> + botón izquierdo (o espacio) + <Shift> + botón izquierdo + Arrastrar + Botón derecho en eje x o izquierda del eje y

Seleccionar texto Mueve texto seleccionado Auto máx.-min coordenadas en ejes

+ botón izquierdo + Arrastrar

Selecciona nuevo máx.-min coordenadas en ejes

+<S>

Guarda plano

+

Guarda dibujo

+

+<X> +

Imprime Fin Selecciona la curva-tipo siguiente que está más cercana a la posición del cursor Copia al portapapeles

+

de

las

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Ejercicio 4: Breve ejercicio en EESCoolTools Especificar el siguiente ciclo de una etapa con evaporador de expansión seca. La temperatura de evaporación es de -30ºC, el recalentamiento de 10,0 K, la temperatura de condensación es de 25ºC, el subenfriamiento del líquido es de 2,0 K, la potencia frigorífica es de 100 kW, el rendimiento isoentrópico es de 0,7, la pérdida de calor del compresor es del 7% y no existe recalentamientos o pérdidas de presión en la línea de aspiración. Las pérdidas de presión en la línea de descarga no se consideran y no existe un intercambiador de calor interno. El refrigerante es R134a. 1. ¿Cuál es el valor del COP? Haga los siguientes cambios: Considere una isión de calor en la línea de aspiración de 1000 W, el caudal másico es de 0,4 kg/s, la pérdida de calor en la compresión es de 1,0 kW y la eficiencia térmica del intercambiador es de 0,4. 2. ¿Cuál es la relación de compresión y cuál es el nuevo valor del COP?

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Ejercicio 4: - Solución Sugerida Use el subprograma de CoolTool con el título “One stage system – Dry expansion evaporators (Sª de Una Etapa-Evaporador Expansión Seca”. Lo encontrará en el grupo del programa “CoolTools: Cycle Analisys”, representado por el siguiente icono: Introduzca los valores anteriores en la ventana de Cycle Especification: 1. El COP debe ser de 2,451 2. Introduzca los nuevos valores. El COP será ahora de 2,439. La relación de compresión la encontrará en la ventana secundaria “State points” y debe ser de 7,864.

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Ejercicio 5: Breve ejercicio en Utilidades de Refrigeración Ejercicio para crear un diagrama log(p)-h 1. Dibuje un diagrama log(p)-h para el R717 (amoníaco) 2. Sobre este diagrama, dibuje un ciclo de una etapa utilizando los siguientes datos: Temperatura de evaporación = Recalentamiento = Rendimiento isoentrópico = Temperatura de condensación = Subenfriamiento =

-35ºC, 8,0 K, 0,7, 30ºC, 2 K.

3. ¿El ciclo puede considerarse como ACEPTABLE?. Compruebe la temperatura del gas en la descarga, ¿está dentro de los límites aceptables?

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Ejercicio 5: - Solución Sugerida Utilize el programa de Utilidades de Refrigeración principal. Lo encontrará en el grupo de “Refrigeration Utilities” representado con el siguiente icono: 1. Elija el menú “File” y seleccione “New (Nuevo)” y luego la opción “Log(p),h-diagram (Diagrama log(p)-h)” o pulse sobre el botón Seleccione R717 y pulse “OK” 2. Para dibujar el ciclo, elija “Options” y “Input cycle (Entrar Ciclo)” o pulse en el botón . Introduzca los datos especificados y luego pulse en el botón “Draw cycle (Dibujar Ciclo)”. 3. El ciclo no es real – la temperatura de descarga del gas está por encima de los 230ºC (coloque el puntero del ratón en el punto de estado y mire las coordenadas en la parte inferior izquierda). El R717 no es un refrigerante adecuado para trabajar en un ciclo de una etapa entre las temperaturas de -35º y 30ºC. Dibuje el diagrama log(p)-h para el R404A con estos mismos datos, obteniendo un nuevo dibujo. En este caso la temperatura del gas de descarga es inferior a los 65°C. Pruebe con otros refrigerantes; ¿cuál dará el COP más elevado?.

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Ejercicio 6: Creación de listados de propiedades y diagramas de ciclos de refrigeración. Determinación de las preferencias del programa y de las propiedades en el dibujo de diagramas A) Programas preferentes Añadir nombre, empresa, dirección y número de teléfono B) Diagramas log (p)-h 1. Dibuje un diagrama log(p)-h para el R290 (propano) 2. Trace un diagrama de un ciclo de refrigeración de una etapa con los datos siguientes: Temperatura de evaporación = -20ºC, Recalentamiento = 8K Pérdida de presión en la línea de aspiración = 1 K Pérdida de presión en la línea de descarga = 2 K Rendimiento isoentrópico = 0,7 Pérdidas de calor en el compresor = 15% de la potencia consumida Temperatura de condensación = 35ºC. Subenfriamiento = 2 K. Pérdida de presión en el condensador = 0,1 bar Pérdida de presión en la línea de líquido = 0,01 bar 3. Calcular el desplazamiento necesaria en el compresor si la potencia frigorífica es de 100 kW (asumiendo un rendimiento volumétrico de 0,85) 4. Copiar los resultados obtenidos en un procesador de texto (p.e. Word) 5. Borrar los números en las isocoras de la zona bifásica 6. Añadir números a los puntos de estado en el ciclo de refrigeración 7. Copiar el diagrama log(p)-h en Word 8. Copiar el ciclo de refrigeración a un diagrama log(p)-h para el R22 9. Guardar los diagramas dibujados 10. Guardar el diagrama como una imagen C) 1. 2. 3. 4.

Diagrama de Mollier (Aire Húmedo) Dibujar un diagrama (I-x) de Mollier para un aire húmedo a la presión de 2 bares. Defina las coordenadas (I-x) para el siguiente par de puntos (T, ): (25ºC, 70%) y (5ºC, 100%) Trace una línea entre los puntos anteriores Dibuje el diagrama

D) Cálculos del Refrigerante 1. Encuentre el volumen específico, la entalpía y la entropía del R407C sobre la curva del punto de rocío para una temperatura de -10ºC 2. Si la entropía es de 1900 J/(kg.K) y la presión de 4 bar, para un refrigerante R134a, ¿Cuál es el valor de su entalpía? (Vea en la ayuda en-línea el método de resolución) Recomendaciones y ayudas Use la ayuda en-línea Lea el documento titulado “Help – Version Info (Ayuda-Versión Info)”

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Ejercicio 6: - Solución Sugerida Utilice el programa de Utilidades de Refrigeración principal. Lo encontrará en el grupo de “Refrigeration Utilitis” representado con el siguiente icono: A) Programas preferentes: Elija “File – Preferences (Archivo-Preferencias)” y escriba la información del nombre, empresa, etc. Recuerde seleccionar toda la información que quiera que aparezca en los diagramas. B) Diagramas log (p)-h: 1. Elija “File – New – Log(p),h-diagram” o pulse en el botón . Elija R290 (propano) y pulse en OK. 2. Elija “Options – Input cycle” o pulse sobre el botón y escriba los datos del ciclo. Pulse en el botón “Draw cycle (Dibujar ciclo)”. 3. Elija “Options - Show cycle info”, escriba 100 para la Capacidad de refrigeración (Potencia Frigorífica) Qe (kW) y 0,85 para el rendimiento volumétrico. Se calculará el caudal desplazado por el compresor. 4. Pulse en el botón “Copiar” y pulse OK para incluir los puntos de estado. Pulse de nuevo en OK para cerrar este dialogo. En Word elija la opción Pegar (fuente: Courier New). 5. Vuelva al programa de Utilidades de Refrigeración. Las isocoras (y todas las iso-líneas pueden formatearse por dos caminos diferentes: - Elija la curva que quiera formatear de entre las curvas tipo, presionando la tecla Ctrl y pulsando sobre dicha curva. Elija el menú “Format (Formato) – Selected curve type (Seleccionar Curva Tipo)” para formatear todas las curvas del mismo tipo que se ha seleccionado. Si elije el menú “Format – Curve” solo se formateará la curva que haya elegido. - Elija el menú “Format Twophase area – Isochores (Formato – Área Bifásica – Isocoras)”. 6. Elija “Draw Text (Dibujo – Texto)” y pulse en el diagrama en el que quiera cambiar texto. Repítalo para el resto de los puntos de estado. El texto puede moverse por: - Selección del texto mediante la tecla Shift y y pulsando en el ratón - Pulsando en las teclas Ctrl+Shift y arrastrar el texto con el ratón 7. Elija “Editar – Copiar en portapapeles”, vaya a Word y elija “Pegar” 8. Elija “Options – Edit Cycle”, pulse en “Refrigeration Cycle” y pulse en el botón OK. Pulse en el botón “Copy cycle (Copiar ciclo)” y cierre el dialogo pulsando en el botón “Cancel (Cancelar)”. Dibuje el nuevo diagrama log(p)-h para el R22, pulse en el botón y pulsar en “Paste Cycle (Pegar Ciclo)”. Con esto, los datos para el ciclo de refrigeración se copian en el nuevo diagrama log.(p)-h. Pulse en “Draw Cycle” para verlo. 9. Elija menú “File – Save Plot (Archivo – Guardar Dibujo)” 10. Elija menú “(File – Save Image (Archivo – Guardar Imagen)” C) Diagrama de Mollier (Aire Húmedo) 1. Elija menú “File – New – I,x-diagram (Archivo – Nuevo – Diagrama I-x)” o pulse sobre el botón . Escriba 2 en “Total pressure (Presión Total)” y pulse OK. 2. Localice los dos puntos de estado pulsando con el ratón y leyendo las coordenadas en la parte inferior derecha de la pantalla. Cuando haya localizado un punto pulse sobre él - esto guardará las coordenadas en un archivo. Las coordenadas de los puntos pulsados se pueden leer/copiar eligiendo “Options – Show log. (Opciones – Mostrar log)”. Esta característica está también disponible en otros tipos de diagramas. 3. Hay dos formas de hacerlo: a. Elegir el menú “Edit – Draw Polyline (Editar – Dibujar Poli-línea)”, pulsar en los dos puntos y en el botón derecho del ratón para terminar el comando. 25

b. Elegir “Options – Input curve data (Opciones – Entrar datos curvas)” y escriba los datos para T y . 4. Imprima el diagrama pulsando sobre el botón . D) Cálculos del Refrigerante 1. Elegimos el menú Refrigeration Utilities, Saturation Table (u oprimimos Shift+Ctrl+S) y en el cuadro de refrigerantes que aparece, elegimos R407C. Pulsamos en OK y aparece una tabla con los valores de saturación de dicho refrigerante. El Punto de Rocío está representado por los valores con subíndices “l”, pudiéndose leer, para la temperatura de -10ºC, los valores siguientes: vg = 0,07511 m3/kg hg = 407,69 kJ/kg sg = 1,8027 kJ/(kg.K) 2. Utilizamos el menú Refrigeration Utilities, Log(p),h-diagram y en el cuadro de refrigerantes que aparece, elegimos R134a. Pulsando OK, se dibuja el diagrama de dicho refrigerante. Colocando el cursor sobre el punto p = 4 bar, s = 1,90 kJ/(kg.K) podemos leer en la parte inferior derecha de la pantalla el valor de h = 458,99 kJ/kg.

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Ejercicio 7: Ciclo de Una Etapa con Evaporador de Expansión Seca. Se va construir una nueva cámara frigorífica. Se ha estimado que la carga de enfriamiento es aproximadamente de 15 kW. La temperatura de evaporación es de -6,0°C con un sobrecalentamiento de 5,0 K. La temperatura de condensación es de 35,0 °C y el subenfriamiento de 2,0 K. No se tiene en cuenta las pérdidas de carga en las tuberías en esta etapa y no hay intercambiador de calor del gas en la aspiración. Por experiencia se sabe que el rendimiento isoentrópico del compresor es aproximadamente 0,7. Las pérdidas de calor del compresor se estiman en un 10% de su consumo de energía. 1. ¿Cuál de estos tres refrigerantes: R134a, R404A o R717, debe elegirse para obtener el máximo COP?. Considere ahora que existe un intercambiador de calor en la aspiración. Usando datos de catálogo puede estimarse una eficiencia en el intercambio de calor de 0,3 aproximadamente. 2.

¿Cuál de los tres refrigerantes, debe elegirse ahora para obtener el máximo COP?.

Usted decide seguir su trabajo utilizando el R134a y manteniendo el intercambiador de calor. 3. ¿A cuanto se eleva el COP si la Tc (temperatura de condensación) disminuye en 5 K? Hasta ahora no se ha considerado la ganancia de calor en la línea de aspiración, pero lo razonable es que sea de unos 5 K (use TC = 35,0°C). 4. ¿Qué COP se obtiene en este caso? Ahora aislamos la línea de aspiración hasta el punto de que sea despreciable la ganancia de calor en las tuberías. 5. ¿Que COP obtendremos cuando haya unas pérdidas de presión en la línea de aspiración y en la línea de descarga de 1,0 K en cada una de las líneas?

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Ejercicio 7: - Solución Sugerida Utilice el subprograma de CoolTool con el título “One stage system – Dry expansión evaporators”. Lo encontrará en el grupo de programas “CoolTool: Cycle analysis”. Está representado por el siguiente icono: Introduzca los datos en la ventana de especificación del ciclo. Puesto que no existe intercambiador de calor, puede omitir este componente en el modelo introduciendo el valor 0 (cero) en el valor de su eficiencia térmica o seleccionando “No SGHX”. 1. Realice los cálculos seleccionando uno de los tres refrigerantes - observe el COP calculado. Repita esto para los otros dos refrigerantes. El R717 tendrá el COP más alto con un valor de 3,831. 2. Introduzca una eficiencia térmica de 0,3 para el cambiador de calor del gas de aspiración. Ahora el R134a tendrá el COP más alto con un valor de 3,794. 3. Introduzca una temperatura de condensación de 30,0 °C. El COP cambia su valor a 4,444. 4. Introduzca la no existencia del recalentamiento especificado. El COP caerá a 3,703. 5. Introduzca las pérdidas de presión y ajuste la no existencia del recalentamiento introduciendo para ello de nuevo 0,0 K. El COP desciende a 3,596.

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Ejercicio 8: Ciclo de Una Etapa con Evaporador Inundado. Un amigo le ha regalado un viejo compresor de amoníaco por su cumpleaños. En la felicitación le indica que el rendimiento isoentrópico es de 0,55. Añade que con una temperatura de evaporación (TE) de – 5,0°C, una temperatura de condensación (T C) de 35,0°C, y con un subenfriamiento de 2,0 K, el compresor proporciona un caudal de 100,0 m3/h en la aspiración. El sobrecalentamiento en esta situación es de 5,0 K. Usted quisiera utilizar este compresor en un sistema de una etapa con un evaporador inundado. 1 2

¿Qué puede esperar, en términos de COP y de la capacidad de refrigeración de este sistema?. No considere ninguna pérdida de presión en las líneas de aspiración y de descarga. Considere que la pérdida de calor de este compresor es del 10,0% del consumo de energía. ¿Si la recirculación del refrigerante en el evaporador es 1,1 cuál será el caudal másico en el evaporador?

Al agradecer a su amigo el regalo de cumpleaños le indica que la pérdida de calor del compresor es probablemente un poco optimista. En vez de usar la pérdida de calor del 10% indicada en la tarjeta, debe utilizar un valor para la temperatura de la descarga del gas de 120 °C. 3. ¿Cuál es la pérdida de calor del compresor en términos de % de consumo de energía y en kW si la temperatura de la descarga del gas es el 120°C? Los resultados no parecen correctos así que usted entra en o con su amigo otra vez para discutir sus resultados. Él ite que el rendimiento isoentrópico indicado en la tarjeta es incorrecto, pero que está muy seguro de que el consumo de energía era de 22,0 kW en las condiciones mencionadas en la tarjeta. 4. ¿Cuál es el rendimiento isoentrópico si el consumo de energía es 22,0 kW?

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Ejercicio 8: - Solución Sugerida Use la herramienta “One stage system – Liquid overfeed evaporators (Ciclo de una etapa – Evaporadores con sobre-alimentación de liquido)”. Lo encontrará en el grupo de programas “CoolTool: Cycle analysis”. Viene representado por el icono:

.

Escriba los valores especificados en la ventana: “Cycle Especifications”. 1. El COP toma el valor de 3,075 y la potencia de refrigeración de 86,2 kW. 2. Introduzca el valor de la recirculación en vez de la calidad del evaporador y calcule. El caudal másico de refrigerante resulta ser de 0,074 kg/s. 3. Introduzca la temperatura de descarga del gas en lugar del factor de pérdida de calor f Q. La pérdida resulta ser del 28,9% o 8,11 kW. 4. Introduzca el valor de la potencia consumida en lugar del rendimiento isoentrópico. El valor del nuevo rendimiento isoentrópico es de 0,7. Este cambio hace que la pérdida de calor por el compresor sea más real.

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Ejercicio 9: Diseñando un Sistema de Refrigeración de Una Etapa. Una empresa quiere construir una cámara frigorífica para el almacenamiento de helados en cortos periodos de almacenamiento. Quisieran que usted hiciera algunos cálculos preliminares del consumo de energía de tal instalación frigorífica - necesitan estas especificaciones para poder diseñar el sistema eléctrico de esta parte de la fábrica. 1.

Para contestar a la pregunta, usted tuvo que realizar un cálculo simple del consumo de energía para un adecuado sistema de refrigeración.

Su respuesta a esta pregunta fue tan buena (y también tan rápida) que la compañía le elije para diseñar y, eventualmente, construir este sistema de refrigeración. 2. Utilice sus propios criterios (diferencias de temperatura, etc.) para dimensionar los componentes principales (compresor, evaporador, condensador y tuberías). El rendimiento del compresor se debe fijar según el valor medio de este mercado. 3.

Utilice copias de los catálogos (en el apéndice) para seleccionar los componentes principales.

4.

Calcule las condiciones de funcionamiento para el sistema con los componentes seleccionados. Recuerde comprobar si hay mensajes del programa sobre las condiciones de funcionamiento calculadas!!! ¿Es aceptable la pérdida de presión en las tuberías? - ¿cuánto aumentará el consumo de energía si la línea de descarga se hace más grande (una “dimensión” más grande)?

Su proposición para el diseño fue satisfactoria para la empresa. Sin embargo ellos quisieran saber cuánto aumentará el consumo de energía si eligiesen un evaporador más pequeño (y por la tanto más barato). 5. Cuanto aumentará el consumo de energía y cuanto disminuirá el COP si se selecciona un evaporador más pequeño (use los datos para un evaporador de una dimensión menor del que haya seleccionado). ¿Todavía es posible mantener la temperatura ambiente pedida? 6. Que ocurrirá si uno de los compresores se estropease – Que ocurriría con la temperatura de la cámara. Se tiene la siguiente información sobre la cámara, sus dimensiones y las condiciones del diseño: La temperatura ambiente se debe mantener en - 27°C, y la potencia de refrigeración debe dimensionarse para una temperatura de 23 °C en los alrededores de la cámara. El coeficiente de transmisión del cuarto (su Ka, valor que determina la transferencia térmica a través de las paredes, del techo y del suelo) es de 130 W/K. La carga de calor interna es 1,0 kW. El sistema se debe diseñar con un evaporador de expansión seca y un condensador refrigerado por aire. La temperatura ambiente para el dimensionamiento del condensador es de 28°C. Se requiere un alto nivel de seguridad, por lo que al menos deben utilizarse dos compresores iguales. El refrigerante es R404A. En el apéndice encontrará los siguientes documentos: Catálogo de Compresor Bitzer (3 páginas) Catálogo de Evaporador LU-VE (2 páginas) Catálogo de Condensador Friga-Bohn (1 página)

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Ejercicio 9: - Solución Sugerida 1. El sistema es demasiado pequeño como para ser diseñado con un sistema de Dos Etapas, por lo que se selecciona el de Una Etapa. Use el subprograma de CoolTool con el título “One stage system – Dry expansión evaporators”. Lo encontrará en el grupo de programas “CoolTools: Design (Diseño)”. Viene representado por el icono: . Cuando se selecciona R404A como refrigerante, usualmente se dispone un intercambiador de líquido-gas (SGHX). La demanda de enfriamiento se ha calculado en 7,5 kW (50 K × 130 W/K + 1,0 kW = 7,5 kW), la temperatura de evaporación debe ser de -35ºC (TD=8K), la temperatura de condensación será de 38ºC (TD=10K), el recalentamiento usual debe ser de 7 K, el subenfriamiento a la salida del condensador puede ser de 2 K, la eficiencia térmica del intercambiador líquido-gas puede tomarse de 0,3, ∆pSL = 0,5 K, ∆pDL = 0,5 K, ∆TSH INUSUAL = 3 K. Resultados: Potencia Consumida: 5,7 kW, COP = 1,319 2. En la ventana del diagrama principal de CoolTool que ya ha usado, encontrará un botón con el título “Dimension Tool (Herramienta Dimensión)”. Pulse en este botón y se cargará una herramienta para el dimensionamiento del Sistema de Una Etapa. Utilice la demanda de enfriamiento calculada anteriormente y utilice unos T razonables para el evaporador (8 K) y el condensador (10 K). La carga en el evaporador puede considerarse como 100% calor sensible (SHR=100%) pero recuerde que en la mayoría de los catálogos se considera un SHR del 80%. Al convertir las capacidades requeridas para las condiciones del catálogo, el SHR se debe fijar en 80%. El aire que pasa a través del condensador tiene una temperatura en la entrada de 28 °C. Resultados: Compresores: QE = 10,08 kW trabajando a –30 °C/+40 °C/+25 °C Correspondiéndole un VS = 40,66 m3/h Se seleccionan dos compresores de 5,04 kW de capacidad cada uno Evaporadores: QE = 18,39 kW para TDM (o LMTD) = 10 K y SHR = 80 % Se seleccionan dos evaporadores de 9,19 kW de capacidad cada uno Condensador: QC = 17,30 kW para TDM (or LMTD) = 10 K o QC = 18,71 kW para TD = 15 K Tuberías: Descarga: ø 11,6 mm, cobre Líquido, líneas 1 y 2: ø 13,7 mm, cobre Aspiración: ø 34,0 mm, cobre 3) De los catálogos, seleccionamos los siguientes componentes: Compresores: Bitzer 2Q-4.2Y (2 compresores) 32

A –30/40/25ºC: A –10/30/25ºC:

QE = 5,030 kW, QE = 14,800 kW,

W = 3,24 kW W = 4,38 kW

Evaporadores: LU-VE HC 93-5 (2 evaporadores) Con TDM = 10 K: QE = 9,250 kW, Alternativamente 2 LU-VE HC 69-5 Con TDM = 10 K: QE = 6,900 kW,

VAIR = 3900 m3/h VAIR = 4200 m3/h

Condensador: Friga-Bohn WA 21 8P (uno) Con TD = 15 K: QC = 19,350 kW, Tuberías:

V

AIRE

= 6992 m3/h

Descarga: ½” Cobre (ø 12,70 mm) Liquido, líneas 1 y 2: ½” Cobre (ø 12,70 mm) Aspiración: 1 ⅜” Cobre (ø 34,93 mm)

4. En la ventana del diagrama principal de CoolTool que acaba de utilizar, encontrará un botón con el título “System Tool (Herramienta de Sistema)”. Pulse en ella y se cargará una herramienta para calcular las condiciones operativas en un sistema de una etapa. Después de introducir los datos para los componentes, deben realizarse algunos cálculos simples. La eficiencia del compresor debe realizarse utilizando la herramienta “Compressor (Compresor)”. La encontrará en el grupo de programas “CoolTool: Auxiliary” y está representada por el siguiente icono: En la herramienta del sistema se puede utilizar un modelo interno para el compresor para calcular las características cuando son conocidas las eficiencias para una determinada condición de funcionamiento. Alternativamente, pueden utilizarse valores fijos para las eficiencias del compresor. En este caso, el catálogo contiene los datos correctos (condiciones de funcionamiento) para que el modelo interno pueda ser utilizado. Introduzca los siguientes datos en la herramienta “Compressor”: TE = –10 °C, TC = 30 °C, T1 = 25 °C, QE = 14,800 kW, W = 4,38 kW,

∆TSH,UNUSEFUL = 0 K, VS = 22,14 m3/h

∆TSC = 0 K,

Los resultados son: Rendimiento isoentrópico: IS = 0,648 Rendimiento Volumétrico: VOL= 0,876 Si se utilizan valores fijos para las eficiencias en la Herramienta del sistema, entonces introduzca los datos siguientes del compresor en la herramienta del compresor: TE = –10 °C,

TC = 30 °C,

Q0 = 3,740 kW,

T1 = 25 °C,

WK = 2,76 kW,

∆TSH,UNUSEFUL = 0 K, 3

∆TSC = 0 K,

VS = 22,14 m /h

Los resultados son: Rendimiento isoentrópico: IS = 0,635 Rendimiento Volumétrico: VOL= 0,663 33

Para los evaporadores LU-VE HC 93-5, deben calcularse los valores de UA. Por el catálogo se conoce que Q E = 9,250 para TDM = 10 K. Utilice la herramienta “Evaporator (Evaporador)” para calcular el valor de UA. La encontrará en el grupo “CoolTools: Auxiliary”, representada por el icono: Puesto que el catálogo está definido para un SHR = 80%, el valor de UA basado en un enfriamiento sensible puede calcularse como UA SENSIBLE = 0,740 kW/K. Para los evaporadores alternativos (LU-VE HC 69-5) se conoce que: QE = 6,900 kW para TDM (o LMTD) = 10 K Utilice la herramienta “Evaporador” para encontrar UASENSIBLE = 0,552 kW/K. Para el condensador, el valor de UA se calcula igualmente utilizando la herramienta “Condenser (Condensador)” que la encontrará en el grupo “CoolTools: Auxiliary”, representada por el icono: Por catálogo conocemos que: QC = 19,350 kW para TD = 15 K El valor de UA para el condensador será de UATDM = 1,886 kW/K Escriba estos valores de los rendimientos y de UA en la herramienta “System”, pero tenga en cuenta que:  Para el compresor, el modelo se selecciona usando η = 0,648 y η = 0,876. El caudal del compresor es de 22,14 m3/h (por catálogo).  En la herramienta A.1.2 se pueden activar hasta cinco evaporadores, pero observe que el programa considera que cada evaporador está colocado en su propia cámara. En este ejemplo hay dos evaporadores en la misma cámara, así que es necesario dividir la cámara en dos de igual tamaño (kA- cámara = 0,065 kW/K) y una carga de calor interna (Q INTERN = 0,5 kW). Se consideran valores para TAMB = 23 °C, VAIRE = 3900 m3/h, ∆TSH = 7 K y para los ∆p se toman valores de 0,5 K. Para el condensador tomamos el valor de UA de 1,886 kW/K, el subenfriamiento se fija en 2 K, la pérdida de presión de 0,5 K, el caudal de aire es de 6992 m3/h, y su temperatura de entrada es de 28 °C. IS

VOL

Las tuberías ya han sido definidas en la pregunta anterior: Línea de descarga: Línea de líquido 1: Línea de líquido 2: Línea de aspiración:

½” Cobre (ø 12,70 mm) ½” Cobre (ø 12,70 mm) ½” Cobre (ø 12,70 mm) 1 ⅜” Cobre (ø 34,93 mm)

Recuerde que el número de compresores activos y de evaporadores se deben fijar en dos (en la ventana principal) antes de que se inicien los cálculos.

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Resultados principales: QE = 7,4 kW QC = 12,1 kW W = 5,5 kW

a a

TE = -32,4°C TC = 37,5°C COP = 1,534

Cuando se abre la ventana secundaria para los evaporadores, se observa que el valor elegido para el sobrecalentamiento es demasiado grande. No puede obtenerse simplemente con el valor de UA y el caudal de aire (la diferencia entre la temperatura y la temperatura ambiente de evaporación es solamente de 6,2 K, y esto no es bastante para sobrecalentar el refrigerante los 7 K especificados). En realidad, la válvula de expansión se ajustará automáticamente para poder alcanzar los 7 K de recalentamiento, lo que se logra bajando la temperatura de evaporación y utilizando una mayor parte de la superficie para lograrla. Ello dará como consecuencia que los valores de UA calculados sean demasiado elevados. Si llega a esta situación, reduzca el valor de UA en aproximadamente un 10% con lo que logrará una mayor diferencia entre la temperatura de evaporación y la temperatura ambiente y permitirá obtener el recalentamiento especificado. Si se aumenta el diámetro de la línea de descarga (a ⅝” cobre, ø 15,88 mm.) el consumo de energía solamente cambiará levemente (aunque la temperatura de condensación disminuya desde 37,5l a 37,4°C y el COP aumente de 1,534 a 1,551). La pérdida de presión en la línea de descarga cae desde 1,43 a 0,47 K. 5. Si se utiliza el evaporador LU-VE HC 69-5, se ha deducido para ellos que UA = 0,690 kW/K. Use un valor de UA de 0,69 kW/K y 4200 m3/h para el caudal de aire y encuentre que la capacidad de refrigeración cae a 7,3 kW y la temperatura de la cámara se eleva a -25,1°C. Esto indica que los compresores son, consecuentemente, demasiado pequeños. TDM

6. Las condiciones de funcionamiento con un solo compresor activo se pueden obtener fijando el número de compresores activos a uno. Las consecuencias son que la capacidad de refrigeración cae a 6,5 kW y la temperatura de la cámara se eleva a – 18,9°C.

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Ejercicio 10: Análisis energético de un Sistema con control de capacidad tipo On/Off. Disponemos de la siguiente información de un sistema: El caudal del compresor es de 80,0 m3/h o de 35,0 m3/h. El propietario de la planta no recuerda exactamente cuál de estos caudales es el verdadero puesto que el compresor fue substituido hace algunos años mientras que él estaba de vacaciones. Sin embargo él está absolutamente seguro que la capacidad de enfriamiento es de aproximadamente 10 kW. El refrigerante es R134a (así lo dice la etiqueta), la temperatura de entrada del fluido al compresor es de aproximadamente 10,0 °C. Mediante observación (sensación con su mano en la superficie del evaporador) usted estima que la temperatura de evaporación puede ser del orden de -15,0 °C. El sistema se utiliza para refrigerar una cámara frigorífica y para mantener en ella una temperatura de unos 5°C. El sobrecalentamiento se estima (por experiencia) en 8,0 K. La temperatura ambiente es de 20,0°C, y usted sabe que el condensador, refrigerado por aire, está dimensionado correctamente con un bajo consumo de energía. Usted mide el consumo de energía del compresor que resulta ser de 3,0 kW. 1. Averigüe si el caudal del compresor es de 80,0 m3/h o de 35,0 m3/h 2. ¿Consideraría usted que el compresor es eficiente? 3. Calcule los ahorros anuales de energía, en kWh, cuando se realizan las siguientes medidas para el ahorro de energía: a) Se aumenta un 10% el valor de UA en el evaporador b) La demanda de enfriamiento se reduce en un 25% c) Ambas acciones a) y b) Considere que el equipo trabaja 4000 horas anuales.

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Ejercicio 10: - Solución Sugerida Use el subprograma de CoolTool con el título “Analysis of operation and energy saving options – constant compressor capacity, no suction gas heat exchanger (Análisis de operación y opciones de ahorro de energía capacidad constante del compresor, sin intercambiador de calor del gas de aspiración)”. Lo encontrará en el grupo de programas “CoolTools: Evaluation (Evaluación)”. Está representado por el icono siguiente:

Incorpore los valores suministrados en la ventana de “Especificación Ciclo”. La temperatura de condensación se puede estimar en 30 °C y la pérdida de calor del compresor en un 10%. 1. Al elegir un caudal de 80 m3/h se obtiene un rendimiento volumétrico de 0,39. Este se debe considerar como extremadamente bajo y por lo tanto poco real. Al elegir el valor de 35 m3/h se obtiene un rendimiento volumétrico de 0,88, que parece mucho más acorde. 2. El rendimiento isoentrópico calculado del compresor es 0,76, que es algo alto, luego el compresor puede considerarse eficiente. 3. Los ahorros energéticos pueden calcularse en la ventana “Changes (Cambios)”. Al aumentar el valor de UA del evaporador en un 10% e introduciendo el número de horas anuales de operación (4000 h), se obtiene que el ahorro podría ser de aproximadamente 691 kWh/año. Una reducción de la demanda de enfriamiento de un 25% da un ahorro anual del orden de 4978 kWh, mientras que ambas acciones llevan a un ahorro total de aproximadamente 5319 kWh.

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Ejercicio 11: Tuberías de conducción de líquidos (pérdida de presión y transferencia de calor) Una conducción de R404A líquido debe tenderse a través de un local con una temperatura de 35°C. La humedad relativa del aire en el local es del 80%. La presión del refrigerante es la que corresponde a una temperatura de saturación del 25 °C y el líquido se subenfría 1 K. El caudal másico total es de 1 kg/s y la longitud de la tubería es de 15 m. 1. Encuentre un diámetro aceptable de la tubería y de su aislamiento que permita, en lo posible, lograr un subenfriamiento de 0,8 K en la salida de la tubería. El líquido pasa a través de un intercambiador de calor del gas de aspiración y se subenfría a 15°C. La tubería de refrigerante se lleva después a través del mismo local a una distancia de 10 m. 2. ¿Se encuentra suficientemente aislada la tubería? ¿Condensa vapor de agua en su superficie?

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Ejercicio 11: - Solución Sugerida Utilice el subprograma de CoolTool con el título “ (Pressure drop and heat transfer for liquid flow in pipes (Pérdida de presión y transferencia térmica del líquido en tuberías)”. Lo encontrará en el grupo de programas “CoolTools: Auxiliary”. Está representado por el icono siguiente: Incorpore los valores facilitados en la ventana de “Especificación Ciclo”. 1. Pruebe con diversos diámetros de tuberías hasta que obtenga una velocidad conveniente del refrigerante y una caída de presión razonable. Una tubería de cobre de diámetro 1 ⅛” parece adecuada. Ahora intente determinar el espesor del aislamiento para mantener un subenfriamiento conveniente. Vemos que con 10 mm. de Armaflex se asegura un subenfriamiento de 0,83 K. 2. Incorpore los nuevos valores. La temperatura superficial de la tubería cae por debajo de la temperatura del punto de condensación del aire (punto de rocío) por lo que el vapor de agua condensará en la superficie del aislamiento. Un espesor del aislamiento de 20 mm. aumentará la temperatura superficial suficientemente (sobre la temperatura del punto de rocío) para evitar la condensación del vapor de agua.

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Ejercicio 12: Enfriamiento transitorio de mercancías en un local refrigerado. Le han encomendado la tarea de dimensionar una pequeña cámara frigorífica para la conservación de 100 cajas de cerveza. La cerveza se debe enfriar desde una temperatura de 25 °C a 5 °C en no menos de 8 horas. El dueño de la planta es ecologista y exige que sea utilizado R717 (amoníaco) como refrigerante. Deben determinarse los siguientes parámetros:    

El caudal desplazado por el compresor (m3/h) El valor UA del evaporador El valor UA del condensador El valor UA del local (transferencia térmica a través de las paredes del edificio al medio)

Se puede considerar que la capacidad de cerveza es el factor que gobierna la dinámica de la temperatura ambiente. Los valores de UA de los intercambiadores de calor tienen que ser dimensionados de modo que las correspondientes diferencias de temperatura sean aproximadamente de 10 K. ¿Cuál debe ser el consumo total de energía del compresor (en kWh) para enfriar las 100 cajas de cerveza, y cuál será el COP medio?

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Ejercicio 12: - Solución Sugerida Utilice el programa para el cálculo del enfriamiento transitorio de un local o de un objeto. Usted lo encontrará en el grupo de programas “Dynámic”. Está representado por el siguiente icono:

Como introducción, trate de familiarizarse con las variables especificadas en las pestañas: “Initial, Control, Load, Evaporator, Compressor y Condenser”. Seleccione el NH3 en la lista de refrigerantes, accesible cuando se activa la pestaña “Initial”. Escriba también, dentro de esta pestaña, la temperatura inicial de 25 °C. El peso y la capacidad de calor del producto que debe ser enfriado se puede especificar en la pestaña “Load”. El peso de 100 cajas de cerveza es aproximadamente de 1100 kg. de agua, que tiene un de 4,2 kJ/(kg.K). Como es posible trabajar con distintas temperaturas ambientes en el condensador y distintas cargas en el local, estos valores tienen que ser especificados individualmente. Ambos deben ser de 25 °C y constante. Este último se alcanza fijando una amplitud 0 (cero) para la curva sinusoidal de referencia de 24 horas. En la pestaña “Control” elija una temperatura máxima de 6 °C y una temperatura mínima de 4 °C. Para el recalentamiento se puede tomar 5,0 K, mientras que el subenfriamiento podría ser de 2,0 K. Pulse en “Start (Empezar)” para activar la simulación. Seleccione las variables que quiera mostrar en la ventana. Varíe el caudal desplazado por el compresor y los valores de UA respectivos de modo que TLOAD alcance los 5 °C después de aproximadamente 8 horas. Los siguientes valores de los parámetros llevan a un tiempo de enfriamiento razonable: UA de la carga = 75 W/K (transmisión de calor del local al ambiente) UA del evaporador = 400 W/K UA del condensador = 500 W/K Caudal del compresor de 4,5 m3/h (para los rendimientos isoentrópico y volumétrico, y la pérdida calor, se toman los valores prefijados) Puede ser muy educativo reconocer como un evaporador más grande lleva a un compresor más pequeño y viceversa. En la pestaña “Output (Salida)” están disponibles los valores integrados para el consumo de energía y el COP. Antes cerciórese de que el final de la simulación sea aproximadamente de 8 horas (pestaña “Initial”). En este caso el consumo de energía del compresor será aproximadamente de 6,8 kWh y el COP medio será aproximadamente 5,1.

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6 CONCEPTOS, ATAJOS, Y OTRAS SUGERNCIAS Conceptos

En algunos contextos se definen dos COP diferentes como: COP y COP*. En ambos casos se utiliza el consumo de energía real del compresor. La diferencia reside en la definición del concepto “Enfriamiento útil”. Para el COP el efecto de enfriamiento es el referido al evaporador, mientras que para COP* el efecto de enfriamiento se basa en el cambio de entalpia desde entrada del compresor a la salida del condensador. En este segundo caso, una ganancia de calor en la línea de aspiración aumentará el COP calculado. El COP* se puede interpretar como un cálculo visto desde el punto de vista de los compresores, puesto que no se puede distinguir entre una entrada de calor en el evaporador y una entrada de calor en la línea de aspiración.

Pantalla: Se recomienda una resolución de 800 x 600 pixeles o mayor. Todo el EESCoolTools se diseña para una resolución de la pantalla de 800 x 600.

EESCoolTools La ventana principal se activa presionando Ctrl+D. Esto también se utiliza al volver desde una ventana secundaria. Todas las entradas estan indicadas mediante cajas:  Presionando F2 se activan los cálculos. Antes de hacer esto, todas las variables de salida deben estar en color gris o no tendrá ningún valor. Esto está representado por asteriscos: (****) o (????). La solución numérica pretende reducir el residuo máximo por debajo de un cierto límite (por defecto 10-6). Si ha obtenido ya una solución con un sistema de valores de entrada, puede resultar ventajoso actualizar los valores de los supuestos antes de empezar a cambiar algunos de los valores de entrada. Presionar "Ctrl + G" para hacer esto. Cuando se imprimen las ventanas existe la posibilidad de seleccionar los esquemas individualmente. Esto se hace de la siguiente manera. En el menú de impresión primero anule la selección de los diagramas y selecciónela otra vez (√). A continuación, aparece un menú, en el que puede elegir los esquemas específicos que desea imprimir.

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7 DESCRIPCIÓN DE PROGRAMAS EN COOLPACK 7.1 PROGRAMAS EN UTILIDADES DE REFRIGERACION Descripción Las Utilidades de Refrigeración pueden utilizarse para calcular las propiedades del refrigerante y para la creación de diagramas de alta calidad La Transferencia de Calor en los fluidos es un programa utilizado en el cálculo de las propiedades termodinámicas y termofísicas (transporte) en la transmisión de calor de los fluidos secundarios. El Calculador de Refrigerantes es un programa utilizado en el cálculo de las propiedades termodinámicas y termofísicas de los refrigerantes. 7.2 PROGRAMAS EN EESCOOLTOOLS: ANALISIS DE CICLOS (C-TOOLS) Descripción

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Análisis del Ciclo de una Etapa: Evaporador de Expansión Seca Análisis del Ciclo de una Etapa: Evaporador Inundado Análisis del Ciclo de una Etapa: Evaporación Múltiple (Doble) Análisis del Ciclo de una Etapa: Evaporación Doble, con enfriamiento de líquido en el sistema de baja temperatura Análisis del Ciclo de Doble Etapa: Inyección de líquido Análisis del Ciclo de Doble Etapa: Refrigerador intermedio Abierto, con evaporadores inundados Análisis del Ciclo de Doble Etapa: Refrigerador intermedio Cerrado, con evaporadores inundados Análisis del Ciclo de una Etapa: CicloTranscrítico de CO2 Análisis del Ciclo de Doble Etapa: CicloTranscrítico de CO2 Análisis del Ciclo de Doble Etapa: Sistemas en Cascada 7.3 PROGRAMAS EN EESCOOLTOOLS : DISEÑO Descripción Paquete de Diseño de un Sistema de Una Etapa con Evaporador Seco, conteniendo: • Análisis del Ciclo de una Etapa • Dimensionamiento del Sistema: Cálculo del tamaño de los componentes • Análisis Energético del Sistema: Cálculo de las condiciones de operación • Análisis Energético del Sistema: Cálculo de las condiciones de operación – Compresores y Evaporadores múltiples acoplados en paralelo

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7.4 PROGRAMAS EN EESCOOLTOOLS : EVALUACION (E-TOOLS) Descripción

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Análisis Energético del Ciclo de una Etapa de Evaporador de Expansión Seca Capacidad constante del Compresor Análisis Energético del Ciclo de una Etapa de Evaporador de Expansión Seca Capacidad variable del Compresor 7.5 PROGRAMAS EN EESCOOLTOOLS : HERRAMIENTAS AUXILIARES (A-TOOLS) Descripción

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Compresor Valor de UA para el evaporador Valor de UA para el condensador Enfriamiento y deshumidificación del aire Pérdida de presión y transferencia de calor en las tuberías de gas Pérdida de presión y transferencia de calor en las tuberías de líquido Propiedades Termodinámicas y Termofísicas de un refrigerante Comparación de tres refrigerantes en un Ciclo de Una Etapa Cálculo de la demanda de enfriamiento de una cámara frigorífica Cálculo de la demanda de enfriamiento en líquidos enfriadores Cálculo de la demanda de enfriamiento de mostradores de productos Cálculo de la demanda de enfriamiento para el acondicionamiento del aire de un local Cálculo de las propiedades del aire húmedo Cálculo del Ciclo de Vida (Nueva Herramienta en la versión 1.45) 7.6 PROGRAMAS EN DINAMICA Descripción

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Modelo General para el enfriamiento de una cámara con control ON/OFF del compresor 44

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